本文關(guān)鍵詞：易損斑塊血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的CFD模擬和PIV實(shí)驗(yàn)

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【摘要】：血栓是血流在心血管系統(tǒng)血管內(nèi)面剝落處或修補(bǔ)處的表面所形成的小塊,常常會(huì)造成動(dòng)脈局部堵塞,引起器官缺血、缺氧而衰竭。動(dòng)脈粥樣硬化是血栓形成的主要因素。動(dòng)脈粥樣硬化導(dǎo)致血栓形成的具體過(guò)程是：動(dòng)脈粥樣硬化斑塊破裂引發(fā)血管內(nèi)壁表面的內(nèi)皮細(xì)胞受損,血小板在破損處黏附、聚集使管腔狹窄,并且使凝血系統(tǒng)激活而形成血栓。有研究表明,不是所有的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊都會(huì)發(fā)生破裂。其中不會(huì)形成血栓的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊被稱為穩(wěn)定斑塊,有破裂傾向的斑塊則稱為易損斑塊(Vulnerable Plaque) 。易損斑塊是由薄纖維帽、廣泛的巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)、大脂質(zhì)核等組成,故可以通過(guò)對(duì)斑塊組成成分的檢查來(lái)對(duì)易損斑塊進(jìn)行識(shí)別。易損斑塊的檢查手段包括有創(chuàng)的影像學(xué)檢查方法和無(wú)創(chuàng)的影像學(xué)檢查方法。有創(chuàng)影像學(xué)檢查方法有血管造影術(shù)(Vasography)、血管內(nèi)超聲(Intravascular Ultrasound, IVUS)和光學(xué)相干斷層掃描(Optical Coherence Tomography, OCT)。血管造影術(shù)是目前臨床有創(chuàng)評(píng)價(jià)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊和血管腔狹窄程度的“金標(biāo)準(zhǔn)”,其操作方法相對(duì)成熟,判斷方式簡(jiǎn)單直觀。但是該方法只能提供間接的,不完全的血管壁疾病信息。對(duì)造影發(fā)現(xiàn)復(fù)雜斑塊的患者,可能意味著易損斑塊的存在,對(duì)于造影沒(méi)有明顯狹窄和復(fù)雜斑塊的患者,也不能排除易損斑塊的存在,故該種檢查方法雖然特異性較高,但敏感性較差,并非檢測(cè)易損斑塊的優(yōu)選方法。IVUS具有良好的血管穿透性,能夠提供血管壁的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖像,區(qū)分內(nèi)膜,中膜和外膜,其檢測(cè)脂質(zhì)核心的敏感性達(dá)到80%-90%。但是IVUS 的圖像分辨率大約是100μm,對(duì)于纖維帽厚度小于65μm的易損斑塊難以鑒別。OCT分辨率高,可檢測(cè)斑塊的裂隙、脂質(zhì)和纖維帽結(jié)構(gòu),該方法所估測(cè)的斑塊中巨噬細(xì)胞的數(shù)量與病理學(xué)的測(cè)值高度相關(guān)。OCT的分辨率可達(dá)10 μ m,對(duì)于分辨厚度小于65 u m的纖維帽和纖維鈣化的敏感性與特異性較高,但因其有創(chuàng)檢查而較難廣泛用于處于動(dòng)態(tài)變化的易損斑塊早期識(shí)別。這也是其他有創(chuàng)檢查方法的局限性。易損斑塊的無(wú)創(chuàng)影像學(xué)檢查方法包括放射性核素成像、磁共振(Magnetic Resonance Imaging, MRI)和計(jì)算機(jī)斷層成像(Computed Tomography, CT)。放射性核素成像包括正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography, PET)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像(Single-photon Emission Computed Tomography, SPECT),這兩種技術(shù)結(jié)合特異性標(biāo)記物的研究應(yīng)用,可以提高動(dòng)脈易損斑塊檢出的敏感度和特異度。研究表明,頸部動(dòng)脈炎癥的程度與18F-FDG(18F正電子標(biāo)記的脫氧葡萄糖)-PET的攝取率有關(guān),通過(guò)18F-FDG可以識(shí)別頸部動(dòng)脈的炎性易損斑塊。MRI分辨率高可以較可靠地識(shí)別出頸動(dòng)脈、外周動(dòng)脈部位的易損斑塊。新興的血管內(nèi)磁共振成像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)定性定量顯示血管(尤其是深部血管)管壁和斑塊的結(jié)構(gòu)。CT對(duì)于易損斑塊的識(shí)別主要是基于CT值進(jìn)行的。Schroeder利用病例組織做對(duì)照將斑塊按著CT值分三類：軟斑塊(富含脂質(zhì)的斑塊)≤60 HU、纖維斑塊61-119 HU、鈣化斑塊≥120 HU。利用CT檢查可以鑒別易損斑塊的兩個(gè)重要特征：較大的脂質(zhì)核和正向重構(gòu)斑塊,但因脂質(zhì)斑塊與纖維斑塊之間的CT值區(qū)分不準(zhǔn)確,無(wú)法識(shí)別易損斑塊的纖維帽。以上三種無(wú)創(chuàng)方法的局限性在于時(shí)空分辨率較低。影像學(xué)方法通過(guò)檢查斑塊的結(jié)構(gòu)和成分信息來(lái)判斷斑塊的易損性。然而,斑塊是否會(huì)發(fā)生破裂不僅與斑塊的組成成分有關(guān),也和斑塊的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)有關(guān)。這些參數(shù)主要有剪切力(Wall Shear Stress, WSS),血流速度(Blood Flow Velocity)、流體狀態(tài)(比如層流、渦流、湍流等)。超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Ultrasonic Particle Image Velocimetry, PIV)可以通過(guò)超聲無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法和血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)易損斑塊進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該技術(shù)是利用造影微泡對(duì)超聲波的強(qiáng)烈發(fā)射,通過(guò)高分辨率超聲系統(tǒng)對(duì)造影區(qū)域采集圖像序列,然后對(duì)連續(xù)的兩幀圖像進(jìn)行圖像互相關(guān)計(jì)算,進(jìn)而獲取流場(chǎng)速度分布。PIV測(cè)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建了與人體血液循環(huán)系統(tǒng)具有相同周期脈動(dòng)特征的流體循環(huán)系統(tǒng)。由脈動(dòng)泵產(chǎn)生的脈動(dòng)流,經(jīng)過(guò)儲(chǔ)液池、傳輸管道流經(jīng)血管仿體,使其產(chǎn)生周期性收縮、舒張,通過(guò)對(duì)脈動(dòng)泵頻率、每搏輸出量、收縮期／舒張期時(shí)間比等參數(shù)的調(diào)控,使彈性血管仿體產(chǎn)生模擬人體血管的運(yùn)動(dòng)特征。除了以上所有專業(yè)醫(yī)療檢測(cè)方法外,還有一種介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法也可以用來(lái)計(jì)算流場(chǎng)速度分布。CFD通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來(lái)求解流體力學(xué)的控制方程,對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析。其具體求解過(guò)程是設(shè)置一系列流體進(jìn)出口邊界條件利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)計(jì)算流場(chǎng)流速分布。CFD方法結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于流體模型、壁面函數(shù)等條件的合理選擇。為了能在同一實(shí)驗(yàn)條件下比較PIV和CFD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本次研究對(duì)PIV測(cè)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)。具體改進(jìn)有：在仿體前后加裝了壓力傳感器,并通過(guò)示波器讀取壓力波形；其次在仿體前放置了轉(zhuǎn)式流量計(jì),用來(lái)記錄流體流量。壓力波形和流體流量就是CFD模擬的初始邊界條件。不同狹窄程度的斑塊的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)是不同的,所以本研究對(duì)三組狹窄程度不同的仿體分別使用PIV和CFD方法計(jì)算其血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)方法：本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三組狹窄程度不同的血管仿體模型,并制作了相應(yīng)的血管仿體模具,根據(jù)冷凍-解凍法,使用PVA水凝膠制備實(shí)驗(yàn)用血管彈性仿體。同時(shí)搭建了經(jīng)改進(jìn)的PIV實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分別進(jìn)行P1V實(shí)驗(yàn)和CFD計(jì)算。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用Vevo 2100超聲實(shí)時(shí)分子影像系統(tǒng)采集不同狹窄程度仿體的流場(chǎng)超聲圖像,可以通過(guò)調(diào)節(jié)超聲設(shè)備的幀頻(Frame Rate)、線密度(Line Density)、圖像寬度(Image Width)等參數(shù)獲取最佳的超聲圖像,每個(gè)仿體采集3個(gè)心動(dòng)周期圖像,圖像結(jié)果使用Matlab 2014軟件處理獲取PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果。CFD模擬的具體過(guò)程是：根據(jù)血管仿體形狀依次建立了相應(yīng)的仿真模型,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,同時(shí)將PIV實(shí)驗(yàn)中仿體入口端流量計(jì)的讀數(shù),以及通過(guò)示波器讀取的仿體入口端和出口端一個(gè)周期內(nèi)壓力波形,作為CFD模擬的進(jìn)口端流量、進(jìn)口端壓力、出口端壓力條件并編寫成UDF代碼,作為邊界條件加載到ANSYS分析軟件進(jìn)行模擬。最后取斑塊前、中、后三個(gè)徑向位置,在一個(gè)心動(dòng)周期速度最大時(shí)候,分別比較這三個(gè)位置處PIV和CFD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,比較結(jié)果用Origin 85軟件處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：CFD和PIV方法的結(jié)果均能準(zhǔn)確捕捉到斑塊前后位置處流場(chǎng)的變化：在斑塊前部的流場(chǎng),越靠近斑塊,流體向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越明顯,而在斑塊后部都出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象；斑塊狹窄程度越高,回流現(xiàn)象越明顯。通過(guò)三組不同狹窄程度的仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,30%狹窄程度的仿體中,CFD和PIV所得的流體速度最為接近；70%狹窄程度的仿體中,兩種方法測(cè)得的速度相差最明顯,PIV所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯低于CFD結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：易損斑塊 超聲粒子圖像測(cè)速 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 血流動(dòng)力學(xué) 血管仿體
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R54;R816.2
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 緒論17-28
• 1.1 研究背景與意義17-19
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展19-26
• 1.2.1 血管內(nèi)超聲19-21
• 1.2.2 光學(xué)相干斷層掃描21-22
• 1.2.3 磁共振成像22-23
• 1.2.4 放射性核素成像檢測(cè)23
• 1.2.5 近紅外光譜法23-26
• 1.3 血流動(dòng)力學(xué)分布對(duì)研究易損斑塊的意義26-27
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容27-28
• 第二章 流體力學(xué)基礎(chǔ)28-42
• 2.1 流體運(yùn)動(dòng)描述方法28-29
• 2.1.1 粘性流體28-29
• 2.1.2 可壓縮流體與不可壓縮流體29
• 2.2 運(yùn)動(dòng)流體的描述29-30
• 2.2.1 入口段與充分發(fā)展段29
• 2.2.2 層流與湍流29-30
• 2.3 流體流動(dòng)基本控制方程30-33
• 2.3.1 連續(xù)性方程30-31
• 2.3.2 Navier-Stokes方程31-33
• 2.3.3 能量守恒方程33
• 2.4 數(shù)值求解的研究33-34
• 2.5 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)34-40
• 2.5.1 前處理35-37
• 2.5.2 FLUENT求解器37-39
• 2.5.3 后處理39-40
• 2.6 ANSYS求解步驟40-42
• 第三章 超聲粒子圖像測(cè)速算法42-49
• 3.1 超聲粒子圖像測(cè)速法的原理42
• 3.2 PIV算法42-49
• 3.2.1 互相關(guān)計(jì)算43-45
• 3.2.2 亞像素處理45-46
• 3.2.3 濾波插值46-47
• 3.2.4 速度矢量修正47-49
• 第四章 PIV實(shí)驗(yàn)及CFD仿真參數(shù)的設(shè)置49-63
• 4.1 超聲造影劑49-52
• 4.1.1 超聲造影成像50
• 4.1.2 超聲造影劑的發(fā)展歷史50-52
• 4.2 超聲探頭52-53
• 4.3 血管仿體53-58
• 4.3.1 聚乙烯醇水凝膠53-54
• 4.3.2 散射子54-55
• 4.3.3 血管仿體制備55-58
• 4.4 PIV實(shí)驗(yàn)58-61
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)主要裝置58-60
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)60-61
• 4.5 本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)61-63
• 第五章 PIV實(shí)驗(yàn)和CFD仿真結(jié)果63-73
• 5.1 無(wú)斑塊仿體的PIV與CFD實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比63-64
• 5.2 不同狹窄程度的斑塊的PIV與CFD實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比64-71
• 5.2.1 30%狹窄程度仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果64-67
• 5.2.2 50%狹窄程度仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果67-69
• 5.2.3 70%狹窄程度仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果69-71
• 5.3 結(jié)果71
• 5.4 討論71-73
• 第六章 總結(jié)與展望73-75
• 參考文獻(xiàn)75-80
• 攻讀學(xué)位期間成果80-81
• 致謝81-82

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4 白萬(wàn)軍;前列腺素E1對(duì)兔動(dòng)脈粥樣硬化易損斑塊的穩(wěn)定作用及機(jī)制研究[D];山東大學(xué);2011年

5 劉國(guó)棟;胎盤生長(zhǎng)因子和基質(zhì)金屬蛋白酶9與易損斑塊的相關(guān)性[D];南昌大學(xué);2009年

6 鄭雪;前列腺素E1對(duì)兔易損斑塊內(nèi)出血和新生血管的作用及機(jī)制研究[D];山東大學(xué);2012年

7 靳奇峰;妊娠相關(guān)蛋白-A對(duì)冠心病易損斑塊預(yù)測(cè)價(jià)值的研究[D];天津醫(yī)科大學(xué);2012年

8 李志軍;普羅布考治療頸動(dòng)脈易損斑塊的臨床研究[D];天津醫(yī)科大學(xué);2014年

9 周小林;多源螺旋CT （MDCT）在冠脈易損斑塊中的診斷價(jià)值[D];中南大學(xué);2012年

10 齊天軍;單核細(xì)胞趨化活性及趨化因子對(duì)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化易損斑塊不穩(wěn)定的機(jī)制研究[D];山東大學(xué);2011年

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本文編號(hào)：978010